一套专利技术使氮化镓首次在20兆赫的频率下工作而不会出现过热或射频问题，为氮化镓开辟了广阔的新应用领域
QPT有限公司是一家专注于提高电气效率的清洁技术公司，它是第一家创造出所需技术的公司，使GaN在大功率、高电压、使用硬开关的应用（如HVAC和机器人的电机驱动系统）中的工作频率远远超过100kHz直至20MHz的电流限制。这项颠覆性的技术开辟了GaN市场的这一重要部分，而目前没有人有解决方案来解决这个问题。见https://www.q-p-t.com/video-the-inconvenient-truth-about-gan
图1 QPT创始人兼CEO Rob Gwynne和qGaN模块
(资料图片仅供参考)
氮化镓晶体管对下一代电力电子的重要性在于其能够在超高频率下工作，以实现开启和关闭。缓慢的转换会浪费能源，因为在晶体管既不开启也不关闭的开关时间内，它要耗散大量的功率，这就造成了能量损失和过热问题。开关速度越高，过渡的时间就越短，能量损失就越少。GaN可以以1-2ns的速度从开启过渡到关闭，而Si和SiC晶体管为20-50ns。
然而，在高电压、高功率的应用中，GaN的实际极限是100kHz，超过这个极限，过热和射频干扰的问题就会变得很严重。目前的解决方案是将氮化镓的频率控制在100kHz以下，这意味着其性能与碳化硅相似，而且使用氮化镓没有任何好处，因为它不能在高开关速度或频率下运行，而实际上它能节省功率。
QPT的创始人兼首席执行官Rob Gwynne解释说："电源工程师专注于成为一个领域的专家，他们已经开发了在10-100Khz开关下工作的技能和设计方法，而这正是Si和SiC晶体管工作的地方。我能够以射频工程师的身份来看待这个问题，并创建一个解决方案，使氮化镓晶体管能够在其高达20MHz的全部潜力下运行，并具有纳秒级的开关，提供更好的操作精度，而没有射频干扰问题或过热，从而首次实现其承诺的效率。"
图2 SiC、GaN和QPT控制的GaN的比较
QPT将其技术突破整合到两个模块中，以便客户能够以最小的努力和对现有设计的改动轻松实现。qGaN™模块包含一个650V的GaN晶体管，并配有该公司的qDrive™，这是世界上最快、最准确、分辨率最高、低抖动的隔离GaN晶体管栅极驱动。第二个模块是qSensor™，它结合了该公司的ZEST™和qSense™技术。它提供了传感和控制，使GaN首次在超高频下被驱动。
此外，QPT还开发了WisperGaN™结构系统，其中包括一个参考设计，说明如何将模块和辅助电子器件组装在一个法拉第笼中，从而不存在加热或射频问题。由此产生的解决方案释放了氮化镓在超高频率下工作的能力，与必须在更低频率下工作的现有解决方案相比，可减少80%的功率使用。
第一个qGaN模块（Q650V15A-M01）将处理15A RMS电流，驱动380V三相电机。路线图将有qGaN模块来处理各种不同的功率负载，以适应不同应用领域的要求。与其他QPT技术模块一起，可以根据参考设计轻松组装交钥匙解决方案。该参考设计可以直接替换现有VFD的功率级，而不需要EMC或热冷却方面的任何专业技术。
图3 QPT使用其模块的VFD参考设计，前景是一个qGaN模块。
"Rob Gwynne解释说："现有系统的其他部分，如微处理器和软件栈保持不变。Rob Gwynne解释说："这使得升级成为一个真正的即插即用的解决方案，它的好处是需要更少的电力，所以它在几周内就能有效地收回成本。此外，还有进一步的节省，因为新的BOM比现有的解决方案要少，因为它不需要外部过滤器。想从目前的硅解决方案升级到更高的功率效率的公司，可以跳过内部开发SiC解决方案的麻烦，直接使用我们未释放的GaN解决方案。将80%左右的VFD节电与电机使用结合起来，可使总体用电量减少10%左右，在电机经常处于低速状态的应用中，这种情况会增加，因为目前的解决方案效率很低"。
该公司估计，其新技术能够提供显著的电力节约的高压、大功率应用市场有一个3650亿美元的总可寻址市场（TAM）。其中的一个关键部分是暖通空调，特别是热泵，正在世界各地成倍地部署，因此该市场将继续增加。Rob Gwynne总结说："电动机占全球用电量的45%，我们的技术可以使它们更有效率，这意味着更少的二氧化碳排放，这有助于应对气候变化。"
图4显示了典型的VFD效率如何随着电机速度的下降而急剧下降并浪费能源，这与QPT技术不同。
变频驱动器(VFDs)
关键的应用领域是电机驱动的控制电子装置，其高效率在节约能源方面发挥着关键作用。市场研究人员估计，每年新增110亿台电动机，占总电能使用量的45%，因此，更高效的电动机控制可以为全球节约大量能源并减少二氧化碳的产生。
VFD的工作原理是对输入的电源进行切分，以产生一个可以改变的频率，从而调整电机的速度。每次斩波时都会有能量损失，目前，制造商认为这是最小的，因此他们引用了97%的效率数字。然而，这个数字是在全速状态下的，但在现实中，速度是变化的，效率随着速度的下降而明显下降，这就是在现实世界的运行周期中发生的情况，但被制造商悄悄地忽略了。这类似于汽车制造商只引用最佳速度下的燃料使用量，而不提及城市循环的实际数字。
为了减少能源浪费，从而更有效率，斩波器需要快速，尽可能快地从关到开或从开到关的过渡。这是因为，在晶体管既不开启也不关闭的开关时间内，它正在耗散大量的功率，这占了大部分的能量损失。
采用QPT技术的氮化镓晶体管现在能够在高达20MHz的频率下运行，以提供1-2ns的超快开关，而氮化镓在被限制在100KHz以下以避免发热和EMC问题时，则为20-50ns。因此，它们在这个高能量损失区域几乎没有任何时间，因此，它们在将直流电切成可变频率的交流电以驱动整个不同速度范围内的电机时浪费的能量非常少。
请看视频：https://www.q-p-t.com/qgan-module-technical-video-overview
关于QPT有限公司
QPT™于2020年在剑桥成立，是一家独立的电力电子公司，专门提供高性能、高效率和高成本效益的解决方案，以解决使用氮化镓晶体管设计的挑战。QPT™技术释放了氮化镓的潜力，为各种电气设备提供了巨大的功率节省。
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